JP5622225B2 - Beam control apparatus, particle beam irradiation apparatus, and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、加速器科学に係り、より詳細には所望量の線量が得られるビーム制御装置、粒子線照射装置、およびこれらの制御方法に関する。 The present invention relates to accelerator science, and more particularly to a beam control apparatus, a particle beam irradiation apparatus, and a control method thereof that can obtain a desired dose.
従来、粒子線がん治療においては、シンクロトロン内に設置されているRF−KO電極に印加するRF−KO電圧を、調整することにより、シンクロトロンから取り出される出射ビーム強度を制御している(特許文献1)。
シンクロトロンにおける電磁石には、商用周波数に起因した周波数がその整流等の過程により電源リップルとして現れる。例えば、シンクロトロンから何周かする間に分けて取り出すビームの遅い取り出し(非特許文献1)によるビームスピルには、商用周波数と等しい50Hzまたは60Hzとその倍数の周波数リップルが現れる。
Conventionally, in particle beam cancer treatment, the intensity of an outgoing beam extracted from a synchrotron is controlled by adjusting an RF-KO voltage applied to an RF-KO electrode installed in the synchrotron ( Patent Document 1).
In an electromagnet in a synchrotron, a frequency due to a commercial frequency appears as a power supply ripple due to a process such as rectification. For example, in the beam spill due to slow beam extraction (Non-Patent Document 1), which is divided and extracted several times from the synchrotron, a frequency ripple of 50 Hz or 60 Hz equal to the commercial frequency and its multiple appears.
シンクロトロンのリング内の電磁石の電源リップルによる磁場の揺れが、ベータトロン振動の共鳴の次数に対応した多極磁場の摂動により生成されるセパラトリクス面積の変化を引き起こす。そのため、セパラトリクス近傍に存在する粒子は、そのセパラトリクス面積の縮小によって共鳴領域に取り出される。 The fluctuation of the magnetic field due to the power ripple of the electromagnet in the ring of the synchrotron causes a change in the separatrix area generated by the perturbation of the multipole magnetic field corresponding to the resonance order of the betatron oscillation. Therefore, particles existing in the vicinity of the separatrix are extracted to the resonance region by reducing the separatrix area.
図9は、従来の電源リップルによって位相空間上のセパラトリクス面積Sが大きく変動している様子を表す図である。ここで、X´とは、ビームの進行方向をYとしたときのdX/dYであり、ビーム進行方向に対する粒子の角度である。
図9に示すように、セパラトリクス面積Sの変化である面積増加ΔS1や、面積減少ΔS2が電源リップル周波数に応じて起こるため、結果として、シンクロトロンからの出射ビームにも電源リップル周波数成分が現れるのである。セパラトリクスsの近傍の斜線部に存在する粒子は、セパラトリクス面積Sの変化(面積増加ΔS1、面積減少ΔS2)によって共鳴領域に取り出される。
FIG. 9 is a diagram illustrating a state in which the separatrix area S in the phase space varies greatly due to the conventional power supply ripple. Here, X ′ is dX / dY when the beam traveling direction is Y, and is the angle of the particle with respect to the beam traveling direction.
As shown in FIG. 9, since the area increase ΔS1 and the area decrease ΔS2 that are changes in the separatrix area S occur according to the power supply ripple frequency, a power supply ripple frequency component also appears in the output beam from the synchrotron as a result. is there. Particles existing in the shaded area near the separatrix s are taken out to the resonance region by the change of the separatrix area S (area increase ΔS1, area decrease ΔS2).
しかし、粒子線治療のスキャニング照射(非特許文献2)などでは、一定の出射ビーム強度(照射線量率)が求められる。
そのため、大きなビームスピルリップルは線量制御外のスポット移動中での治療計画外超過線量付与を生むため可能な限り避けられるべきである。
そこで、特許文献2には、シンクロトロン内電磁石の電源リップルが原因であるビームスピルリップルを抑えるために、四極電磁石の電流パターンに電源リップルの影響を打ち消す効果がある高周波成分を、取り出し区間のみ重畳して摂動する方法が記載されている。
However, in the case of scanning irradiation for particle beam therapy (Non-Patent Document 2) and the like, a constant emission beam intensity (irradiation dose rate) is required.
For this reason, large beam spill ripple should be avoided as much as possible because it results in over-dosing of the treatment plan during spot movement outside of dose control.
Therefore, in
具体的には、特許文献2は、シンクロトロンのリング内電磁石の電源リップルの影響を打ち消すように四極電磁石電源に摂動を加える。
しかし、この方法ではシステムとして複雑であり、また、僅かなリップルの周波数、位相のずれにも弱いという欠点がある。また、実用化するためには日々毎に、それら電流パターンの洞察が必要であるという問題もある。
本発明は上記実状に鑑み、低コストで、線量の揺らぎが防止され設定量の線量が得られるビーム制御装置、粒子線照射装置、およびこれらの制御方法の提供を目的とする。
Specifically,
However, this method has a drawback that it is complicated as a system and is vulnerable to a slight ripple frequency and phase shift. There is also a problem that in order to put it into practical use, it is necessary to gain insight into these current patterns every day.
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a beam control apparatus, a particle beam irradiation apparatus, and a control method thereof that are low in cost and can prevent a dose fluctuation and obtain a set amount of dose.
上記目的を達成すべく、第1の本発明に関わるビーム制御装置は、シンクロトロンを備え、前記シンクロトロンからのベータトロン振動の共鳴を用いた粒子線ビームの取り出しを行うためのビーム制御装置であって、前記シンクロトロン内の粒子線ビームのセパラトリクス生成のための共鳴の次数に対応した多極電磁石と、前記シンクロトロン内の前記粒子線ビームを収束させる収束用四極電磁石と前記粒子線ビームを発散させる発散用四極電磁石と、ビーム制御手段とを備え、前記ビーム制御手段は、所望の線量になるように前記多極電磁石の磁場強度を設定し、前記粒子線のビームの線量の揺らぎが所定量内でない場合、前記多極電磁石の磁場強度を高くするとともに、前記収束用四極電磁石または前記発散用四極電磁石のうちの少なくとも何れかの励磁量を変更して前記粒子線ビームのセパラトリクス面積が所定の大きさになるように調整する制御を行い、前記粒子線ビームの線量の揺らぎを所定量内として、前記粒子線ビームのビームスピルリップルを所定量以下に抑えている。 In order to achieve the above object, a beam control apparatus according to the first aspect of the present invention is a beam control apparatus that includes a synchrotron and extracts a particle beam using resonance of betatron oscillation from the synchrotron. A multipole electromagnet corresponding to the order of resonance for generating a separatrix of a particle beam in the synchrotron , a converging quadrupole electromagnet for converging the particle beam in the synchrotron , and the particle beam. A divergence quadrupole electromagnet for divergence and beam control means, wherein the beam control means sets the magnetic field intensity of the multipole electromagnet so as to obtain a desired dose, and the fluctuation of the dose of the beam of the particle beam is If not within the fixed amount, increase the magnetic field strength of the multipole electromagnet and reduce the number of the converging quadrupole electromagnet or the diverging quadrupole electromagnet. Also, control is performed to change the excitation amount of any of the particle beam beams so that the separatrix area of the particle beam beam becomes a predetermined size, and fluctuation of the dose of the particle beam beam is within a predetermined amount, and the particle beam beam The beam spill ripple is kept below a predetermined amount .
第2の本発明に関わる粒子線照射装置は、第1の本発明のビーム制御装置を備えている。 The particle beam irradiation apparatus according to the second aspect of the present invention includes the beam control apparatus according to the first aspect of the present invention.
第3の本発明に関わるビーム制御装置の制御方法は、シンクロトロンと該シンクロトロン内の粒子線ビームを制御する機器の制御を担うビーム制御手段とを備え、前記シンクロトロンからのベータトロン振動の共鳴を用いた粒子線ビームの取り出しを行うためのビーム制御装置の制御方法であって、前記ビーム制御手段は、所望の線量になるように前記多極電磁石の磁場強度を設定し、前記粒子線のビームの線量の揺らぎが所定量内でない場合、前記シンクロトロン内の粒子線ビームのセパラトリクス生成のための共鳴の次数に対応した多極電磁石の磁場強度を、収束用四極電磁石または発散用四極電磁石のうちの少なくとも何れかの励磁量を変更して前記粒子線ビームのセパラトリクス面積を所望の大きさに保ちながら、高く制御することによって、前記粒子線ビームの線量の揺らぎを所定量内として、前記粒子線ビームのビームスピルリップルを所定量以下に低減している。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a beam control apparatus control method comprising a synchrotron and beam control means for controlling a device for controlling a particle beam in the synchrotron, A control method of a beam control apparatus for extracting a particle beam using resonance, wherein the beam control unit sets a magnetic field strength of the multipole electromagnet so as to obtain a desired dose, and the particle beam If the fluctuation of the dose of the beam is not within a predetermined amount, the magnetic field strength of the multipole magnet corresponding to the order of resonance for generating the separatrix of the particle beam in the synchrotron is set as the focusing quadrupole magnet or the diverging quadrupole electromagnet. while maintaining the separatrix area of the particle beam by changing at least one of the amount of excitation of the desired size, to control high Thus, the dose fluctuations of the particle beam as a predetermined amount, thereby reducing the beam pill ripple of the particle beam in a predetermined amount or less.
第4の本発明に関わる粒子線照射装置の制御方法は、第3の本発明のビーム制御装置の制御方法を行う粒子線照射装置の制御方法である。 The particle beam irradiation apparatus control method according to the fourth aspect of the present invention is a particle beam irradiation apparatus control method for performing the beam control apparatus control method according to the third aspect of the present invention.
本発明によれば、低コストで、線量の揺らぎが防止され設定量の線量が得られるビーム制御装置、粒子線照射装置、およびこれらの制御方法を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a beam control apparatus, a particle beam irradiation apparatus, and a control method thereof that can prevent a dose fluctuation and obtain a set amount of dose at low cost.
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図1に、実施形態の粒子線照射装置Rにおけるビーム制御装置1のシンクロトロン2と出射輸送ライン19を示す。実際の粒子線照射装置Rには、図1に示す機器に加え、シンクロトロン2への入射ラインやRF(Radio Frequancy)加速空洞などがあるが、図1では割愛している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows the
<粒子線照射装置R>
粒子線照射装置Rは、炭素イオン等の粒子線をスキャニング照射等で対象の患部に所定線量照射する装置である。
粒子線照射装置Rは、シンクロトロン2内の粒子線のビームを制御するビーム制御装置1を備えている。
<Particle beam irradiation device R>
The particle beam irradiation apparatus R is an apparatus that irradiates a target affected area with a predetermined dose of a particle beam such as carbon ions by scanning irradiation or the like.
The particle beam irradiation apparatus R includes a beam control apparatus 1 that controls the beam of the particle beam in the
<粒子線照射装置Rにおけるビーム制御装置1のシンクロトロン2>
ビーム制御装置1のシンクロトロン2は、加速高周波の周期を粒子回転周期に同期させることにより、炭素の原子核等の荷電粒子を高エネルギまで加速する環状の装置である。シンクロトロン2は「加速器」に相当する。
<
The
シンクロトロン2は、主要構成機器として、シンクロトロン2内を進む粒子線のビームを周回軌道に保つための偏向電磁石3と、周回軌道上における粒子線のビームの広がりを収束させる収束用四極電磁石4と、当該ビームの広がりを発散させる発散用四極電磁石5と、ベータトロン振動の三次共鳴を励起し、位相空間上で安定周回領域と共鳴領域を分割・形成するセパラトリクス生成用六極電磁石6と、照射量をモニタするシンクロトロン2のリング内のビームプロファイルモニタ7および出射輸送ライン19のビームプロファイルモニタ8と、粒子線のビームを出射輸送ライン19に向けて出射するためのデフレクタ電極9を備えている。なお、セパラトリクスとは、安定周回領域と共鳴領域の間のことである。
The
粒子線照射装置Rの制御は、図示しない制御手段によって行われる。粒子線照射装置Rの制御手段は、ビーム制御装置1の粒子線のビームを制御する機器の制御を担うビーム制御手段を有している。
制御手段、ビーム制御手段は、コンピュータ、回路等で構成される。
Control of the particle beam irradiation apparatus R is performed by a control means (not shown). The control means of the particle beam irradiation apparatus R includes beam control means that controls the equipment that controls the beam of the particle beam of the beam control apparatus 1.
The control means and beam control means are configured by a computer, a circuit, and the like.
<シンクロトロン2からの粒子線の取り出し>
図1に示すシンクロトロン2内の周回軌道を周回している多数の粒子は、水平方向(図1の紙面に平行方向:X軸方向)又は鉛直方向(図1の紙面に垂直方向:Z軸方向)に振動しながら周回している。この振動をベータトロン振動といい、ベータトロン振動は、収束用四極電磁石4、発散用四極電磁石5などにより制御することができる。なお、Y軸方向とは、シンクロトロン2内を粒子線のビームが進行する方向(シンクロトロン2内の周回の接線方向)とし、X軸方向は水平面におけるY軸方向に垂直な方向とする。
<Removal of particle beam from
A large number of particles orbiting the orbit in the
これら粒子がRF加速空洞(図示せず)によって加速され最大エネルギに達した後、シンクロトロン2内で周回している多数の粒子の一部を、粒子線のビームにRF−KO電極(図示せず)でRF−KO電圧による電場を印加することにより、デフレクタ電極9を用いて、治療室(照射室)において照射対象に取り出した粒子線を照射する照射装置(図示せず)に続く出射輸送ライン19へ向けて出射する。
具体的には、シンクロトロン2内の粒子線のビームをシンクロトロン2外の照射装置に続く出射輸送ライン19に向けて取り出すため、シンクロトロン2内の中心付近に分布する粒子線のビームに、周回軌道に対し垂直かつ水平方向にRF−KO電極で挟んでRF−KO電圧による電場を印加し、粒子線のビームサイズを水平方向に広げる。この粒子の出射は、シンクロトロン2内の周回軌道を進む粒子のベータトロン振動の共鳴を利用して行われる。
After these particles are accelerated by an RF acceleration cavity (not shown) and reach a maximum energy, a part of a large number of particles orbiting in the
Specifically, in order to extract the beam of particle beam in the
詳細には、RF−KO電極は、出射輸送ライン19への取り出し前のシンクロトロン2の周回軌道を加速されて進むビームに対して、周回軌道に垂直かつ水平方向(図1の紙面に平行方向)に、ベータトロン振動に共鳴する周波数変調および振幅変調されたRF−KO電圧による電場を印加し、周回軌道を進む粒子線のビームの幅を広げることにより、粒子線のビームの一部をデフレクタ電極9の2枚の電極の中に入れる。デフレクタ電極9の2枚の電極の中にビームが入ると、デフレクタ電極9内の電場によって、粒子線のビームは外側に蹴りだされ、出射輸送ライン19に向けて取り出されていく。
なお、RF−KO電圧がオフのときには、この粒子のビームサイズの増加が止まるために、粒子線のビームがデフレクタ電極9から取り出されなくなるので、照射を止めることが可能となる。
Specifically, the RF-KO electrode is perpendicular to the circular orbit and in the horizontal direction (parallel to the paper surface of FIG. 1) with respect to the beam traveling on the circular orbit of the
When the RF-KO voltage is off, the increase in the particle beam size stops, so that the particle beam is not taken out from the
ここで、図9に示すセパラトリクスsの面積であるセパラトリクス面積Sの変化を抑制する。そのため、セパラトリクス面積Sを保ちながら、シンクロトロン2を周回する振動であるベータトロン振動の三次共鳴による粒子線の遅い取り出しにおいてセパラトリクス生成に用いられる共鳴の次数に対応した多極電磁石のセパラトリクス生成用六極電磁石6の磁場強度を高くなるようにビーム制御手段で制御する。
Here, the change of the separatrix area S which is the area of the separatrix s shown in FIG. 9 is suppressed. Therefore, while maintaining the separatrix area S, the separatrix generation six of the multipolar magnet corresponding to the order of resonance used for the generation of the separatrix in the slow extraction of the particle beam by the third order resonance of the betatron vibration that is a vibration that circulates around the
これにより、従来と同量の電源リップルと比較して、セパラトリクス面積Sの変化(図9の面積増加ΔS1、面積減少ΔS2)を小さくする。しかし、セパラトリクス生成用六極電磁石6の磁場強度を高くした場合、セパラトリクス面積Sが小さくなる。
そこで、セパラトリクス面積Sを所定の大きさに保つため、セパラトリクス生成用六極電磁石6の磁場強度の増加に合わせて、ビーム制御手段により、収束用四極電磁石4と発散用四極電磁石5とのうちの少なくとも何れかの励磁量を変更して線形成分でのベータトロン振動数をm次(mはセパラトリクスs(図3参照)が何角形かに相当)の共鳴条件n/m(nはmの倍数を除く自然数)から離し、安定領域のセパラトリクス面積Sが大きくなるようにしている。
As a result, the change in the separatrix area S (area increase ΔS1 and area decrease ΔS2 in FIG. 9) is reduced as compared with the same amount of power supply ripple as in the past. However, when the magnetic field strength of the separatrix generating
Therefore, in order to keep the separatrix area S at a predetermined size, the beam control means, among the converging quadrupole electromagnets 4 and the diverging quadrupole electromagnets 5, adjusts with the increase in the magnetic field strength of the separatrix generating
例えば、ビーム制御手段により、収束用四極電磁石4の励磁量を上げて線形成分でのベータトロン振動数をm次の共鳴条件n/mから離し、安定領域のセパラトリクス面積Sを大きくする。
このように、粒子線のビームのセパラトリクス面積Sの変化(図9の面積増加ΔS1、面積減少ΔS2)を抑えることにより、それまでセパラトリクス面積Sの縮小により共鳴領域に取り出されていた粒子数(図9の面積増加ΔS1、面積減少ΔS2における粒子数)を減らすことができ、結果として、電源リップルによるビームスピルリップルを低減することができる。
For example, the beam control means increases the excitation amount of the converging quadrupole electromagnet 4 so that the betatron frequency in the linear component is separated from the m-th order resonance condition n / m, and the separatrix area S of the stable region is increased.
In this way, by suppressing changes in the separatrix area S of the beam of particle beams (area increase ΔS1 and area decrease ΔS2 in FIG. 9), the number of particles that have been extracted into the resonance region by reducing the separatrix area S (FIG. 9). 9) (the number of particles in the area increase ΔS1 and area decrease ΔS2) can be reduced, and as a result, beam spill ripple due to power supply ripple can be reduced.
<ビーム制御装置1のシンクロトロン2からの粒子線の遅い取り出しの作用(現象)>
図2では、べータトロン振動の三次共鳴による粒子線の遅い取り出しを例にとり、本実施形態を実施する場合のブロック図を示す。
図3は、セパラトリクスsのセパラトリクス面積SがS1からS2に縮小することを示す図である。ここで、X´とは、ビームの進行方向をYとしたときのdX/dYであり、ビーム進行方向に対する粒子の角度である。なお、後記の図5、図8も同様である。
図2の(1)で、シンクロトロン2内のセパラトリクス生成用六極電磁石6(図1参照)の磁場強度のみをビーム制御手段で上げると、図3に示すように、セパラトリクスsのセパラトリクス面積SがS1(図3の破線で示す)からS2(図3の実線で示す)に縮小してしまう。
<Operation (phenomenon) of slow extraction of particle beam from
FIG. 2 shows a block diagram in the case of carrying out the present embodiment, taking as an example the slow extraction of the particle beam due to the third-order resonance of betatron oscillation.
FIG. 3 is a diagram illustrating that the separatrix area S of the separatrix s is reduced from S1 to S2. Here, X ′ is dX / dY when the beam traveling direction is Y, and is the angle of the particle with respect to the beam traveling direction. The same applies to FIGS. 5 and 8 described later.
In FIG. 2 (1), when only the magnetic field strength of the separatrix generating hexapole electromagnet 6 (see FIG. 1) in the
図4は、線形ベータトロン振動数を一定にした場合のセパラトリクス生成用六極電磁石6の六極磁場強度とセパラトリクス面積Sの変化の関係を示す図である。図4は、横軸にセパラトリクス生成用六極電磁石6の六極磁場強度をとり、縦軸にセパラトリクス面積S、線形ベータトロン振動数と共鳴条件n/3(nは3の倍数を除く自然数)との差の絶対値をとっている。
図4に示すように、線形ベータトロン振動数を一定にし、セパラトリクス生成用六極電磁石6の六極磁場強度をビーム制御手段により上げた場合、セパラトリクス面積Sが減少することが分る。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the hexapole magnetic field strength of the separatrix generating
As shown in FIG. 4, when the linear betatron frequency is kept constant and the hexapole magnetic field intensity of the separatrix generating
そのため、図2の(2)で、シンクロトロン2のリング内にあるビームプロファイルモニタ7、または、出射輸送ライン19にあるビームプロファイルモニタ8のどちらかないしは両方を用いて線量を測定する。
そして、図2の(3)で、測定する線量が所定量となるセパラトリクス面積Sを保つように、収束用四極電磁石4と発散用四極電磁石5とのうちの少なくとも何れかの励磁量をビーム制御手段で変更して、線形ベータトロン振動数を共鳴条件n/3(nは3の倍数を除く自然数)から離すことにより、図5に示すように、セパラトリクス面積S2をセパラトリクス面積S3に拡大する。図5は、セパラトリクスsのセパラトリクス面積SがS2からS3に拡大することを示す図である。
Therefore, in (2) of FIG. 2, the dose is measured using either or both of the beam profile monitor 7 in the ring of the
Then, in (3) of FIG. 2, at least one of the amount of excitation of the converging quadrupole electromagnet 4 and the diverging quadrupole electromagnet 5 is beam-controlled so as to maintain a separatrix area S where the dose to be measured is a predetermined amount. By changing the means and separating the linear betatron frequency from the resonance condition n / 3 (n is a natural number excluding a multiple of 3), the separatrix area S2 is expanded to the separatrix area S3 as shown in FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating that the separatrix area S of the separatrix s increases from S2 to S3.
その後、図2の(4)で、線量の揺らぎを測定し、線量の揺らぎが所定量を超える場合、図2の(1)に移行する。
ビーム制御手段により、シンクロトロン2内の粒子線のビームの線量の揺らぎが所定量以内、かつ、セパラトリクス面積Sが所望の大きさになるまで、図2に示す制御が行われる。
図6は、線形ベータトロン振動数と共鳴条件n/3(nは3の倍数を除く自然数)との差の絶対値を上昇させた場合のセパラトリクス生成用六極電磁石6の六極磁場強度とセパラトリクス面積Sの変化の関係を示す図である。図6は、横軸にセパラトリクス生成用六極電磁石6の六極磁場強度をとり、縦軸にセパラトリクス面積S、は線形ベータトロン振動数と共鳴条件n/3(nは3の倍数を除く自然数)との差の絶対値をとっている。
Thereafter, in (4) of FIG. 2, the fluctuation of the dose is measured, and when the fluctuation of the dose exceeds a predetermined amount, the process proceeds to (1) of FIG.
The control shown in FIG. 2 is performed by the beam control means until the fluctuation of the beam dose of the particle beam in the
FIG. 6 shows the hexapole magnetic field strength of the separatrix generating
図6に示すように、線形ベータトロン振動数と共鳴条件n/3(nは3の倍数を除く自然数)との差の絶対値を上昇させた場合、セパラトリクス生成用六極電磁石6の六極磁場強度をビーム制御手段で上げても、セパラトリクス面積Sの大きさが維持されることが分かる。
上述の現象を定性的に説明する。
粒子線のビームのセパラトリクスsは、粒子線のビームがシンクロトロン2を周回する際の線形ベータトロン振動数と共鳴条件n/mとの差の絶対値が大きいほど、セパラトリクス面積S(図8参照)が大きくなる。また、摂動として用いられるセパラトリクス生成用六極電磁石6の多極磁場強度が大きいほど、セパラトリクス面積S(図8参照)が小さくなる。商用周波数(50Hzまたは60Hz)の電源リップルは、線形ベータトロン振動数とセパラトリクス生成用六極電磁石6の多極磁場強度を変化させてしまうので、セパラトリクス面積Sも変化してしまう。
As shown in FIG. 6, when the absolute value of the difference between the linear betatron frequency and the resonance condition n / 3 (n is a natural number excluding multiples of 3) is increased, the hexapole of the separatrix generating
The above phenomenon will be described qualitatively.
The separatrix s of the particle beam is greater as the absolute value of the difference between the linear betatron frequency when the particle beam orbits the
そこで、セパラトリクス面積Sを保ったまま、線形ベータトロン振動数と共鳴条件n/mとの差の絶対値(A)とセパラトリクス生成用六極電磁石6の多極磁場強度(B)とのどちらも大きくしている状態の方が、同じ量だけ電源リップルにより線形ベータトロン振動数と共鳴条件n/mとの差の絶対値(A)とセパラトリクス生成用六極電磁石6の多極磁場強度(B)が変化(変化分ΔA、ΔB)しても、ΔA/A、ΔB/B がそれぞれ小さくなるので電源リップルの影響を小さくできる。
Therefore, both the absolute value (A) of the difference between the linear betatron frequency and the resonance condition n / m and the multipolar magnetic field strength (B) of the separatrix generating
<べータトロン振動の三次共鳴による遅い取り出しの手順>
次に、べータトロン振動の三次共鳴による遅い取り出しの手順について、図7に従って説明する。図7は、べータトロン振動の三次共鳴による遅い取り出しの手順を示すフロー図である。
なお、以下のビーム制御装置1の制御は、前記したビーム制御手段によって行われる。また、以下のフローでは、粒子線のビームの揺らぎを所定量内にし、かつ、粒子線のビームのセパラトリクス面積Sを所定の大きさにする制御を説明する。
<Slow extraction procedure by third-order resonance of betatron oscillation>
Next, a procedure for slow extraction by the third-order resonance of betatron vibration will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a flowchart showing a procedure of slow extraction by the third-order resonance of betatron vibration.
The following control of the beam control apparatus 1 is performed by the beam control means described above. Further, in the following flow, a description will be given of the control for setting the fluctuation of the particle beam to be within a predetermined amount and setting the separatrix area S of the particle beam to a predetermined size.
まず、図7のS101で、所望の線量になるようにセパラトリクス生成用六極電磁石6の磁場強度を設定する。続いて、図1に示すシンクロトロン2のリング内にあるビームプロファイルモニタ7、または、出射輸送ライン19にあるビームプロファイルモニタ8のどちらかないしは両方を用いて線量を測定する(S102)。そして、測定した線量を基に、セパラトリクス面積Sを演算する(S103)。
First, in S101 of FIG. 7, the magnetic field intensity of the separatrix generating
続いて、測定した粒子線のビームの線量の電源リップル周波数成分等による揺らぎが所定量内、かつ、セパラトリクス面積Sが所定の大きさか否か判定する(S104)。
測定した粒子線のビームの線量の揺らぎが所定量内、かつ、セパラトリクス面積Sが所定の大きさの場合(S104でYes)、終了する。
測定した粒子線のビームの線量の揺らぎが所定量内、かつ、セパラトリクス面積Sが所定の大きさでない場合(S104でNo)、S105で、測定した粒子線のビームの線量の揺らぎ(図9のセパラトリクスsの面積増加ΔS1、面積減少ΔS2)が所定量内であるか否か判定する(S105)。
Subsequently, it is determined whether or not the fluctuation due to the power source ripple frequency component of the measured beam dose of the particle beam is within a predetermined amount and the separatrix area S is a predetermined size (S104).
If the fluctuation of the measured dose of the particle beam is within a predetermined amount and the separatrix area S is a predetermined size (Yes in S104), the process ends.
When the measured particle beam beam fluctuation is within a predetermined amount and the separatrix area S is not a predetermined size (No in S104), the measured particle beam beam fluctuation in S105 (FIG. 9). It is determined whether or not the area increase ΔS1 and area decrease ΔS2) of the separatrix s are within a predetermined amount (S105).
測定した粒子線のビームの線量の揺らぎが所定量内でない場合(S105でNo)、セパラトリクス生成用六極電磁石6の磁場強度を増加させる。これにより、図3に示すように、セパラトリクスsのセパラトリクス面積SがS1からS2に縮小する(S106)。その後、S102に移行する。
If the measured fluctuation of the beam dose of the particle beam is not within the predetermined amount (No in S105), the magnetic field strength of the separatrix generating
一方、S105で、測定した粒子線のビームの線量の揺らぎが所定量内であると判定された場合(S105でYes)、セパラトリクス面積Sが所定の大きさでないので、収束用四極電磁石4または発散用四極電磁石5のうちの少なくとも何れかの励磁量を変更してセパラトリクス面積Sが所定の大きさになるように調整する。例えば、セパラトリクス面積Sが所望の大きさより小さい場合、線形ベータトロン振動数を共鳴条件n/3(nは3の倍数を除く自然数)から離すことにより、図5に示すように、セパラトリクス面積S2をセパラトリクス面積S3に拡大する。その後、S102に移行する。
以上が、図7に示すべータトロン振動の三次共鳴による遅い取り出しの手順である。
On the other hand, if it is determined in S105 that the fluctuation of the measured dose of the particle beam is within a predetermined amount (Yes in S105), the separation quadrupole electromagnet 4 or the divergence is not obtained because the separatrix area S is not a predetermined size. The amount of excitation of at least one of the quadrupole electromagnets 5 is changed and adjusted so that the separation area S becomes a predetermined size. For example, when the separatrix area S is smaller than the desired size, the separation of the linear betatron frequency from the resonance condition n / 3 (where n is a natural number excluding multiples of 3), the separatrix area S2 is reduced as shown in FIG. It expands to the separatrix area S3. Thereafter, the process proceeds to S102.
The above is the slow extraction procedure by the third-order resonance of the betatron oscillation shown in FIG.
図8に、上述のべータトロン振動の三次共鳴による遅い取り出しを実施したことによる効果を示す。
図8に示すように、従来の図9に示す同量の電源リップル(図9のセパラトリクス面積Sの面積増加ΔS1、面積減少ΔS2に相当)に対して、セパラトリクス面積Sの変動量が小さくなる。そのため、セパラトリクス面積Sの変化によって共鳴領域に取り出される粒子が存在する領域(図9の破線で囲まれた領域ΔS1、ΔS2)を小さくできる。その結果、出射されるビームスピルリップルに現れる電源リップル周波数成分を抑えることができる。
FIG. 8 shows the effect obtained by performing the slow extraction by the third resonance of the betatron vibration described above.
As shown in FIG. 8, the amount of fluctuation of the separatrix area S is smaller than the same amount of power supply ripple shown in FIG. 9 (corresponding to the area increase ΔS1 and area decrease ΔS2 of the separatrix area S in FIG. 9). Therefore, it is possible to reduce the area where the particles extracted to the resonance area exist due to the change in the separatrix area S (areas ΔS1 and ΔS2 surrounded by the broken line in FIG. 9). As a result, the power supply ripple frequency component that appears in the emitted beam spill ripple can be suppressed.
上記構成によれば、リング内電磁石の電源リップルによるビームヘの影響自体を、電源に摂動等を加えること無しに抑えられ、コストが低い。
また、粒子線治療のスキャニング照射などで求められるような、低リップルで一定の出射ビーム強度(照射線量率)が供給可能となる。さらに、日々の電流パターンの調整も不要であり、再現性が高く、実用的に非常に優れている。
According to the above configuration, the influence itself on the beam due to the power supply ripple of the electromagnet in the ring can be suppressed without adding perturbation or the like to the power supply, and the cost is low.
In addition, it is possible to supply a constant output beam intensity (irradiation dose rate) with a low ripple as required by scanning irradiation for particle beam therapy. Furthermore, daily current pattern adjustment is not required, and reproducibility is high and practically excellent.
なお、前記実施形態では、ベータトロン振動の三次共鳴と六極電磁石を用いた粒子線の遅い取り出しを例示したが、ベータトロン振動の二次共鳴と八極電磁石、または、四次共鳴と八極電磁石など、共鳴の次数に対応していれば、別の多極電磁石との組み合わせでもよい。 In the above embodiment, the third-order resonance of the betatron vibration and the slow extraction of the particle beam using the hexapole magnet are exemplified, but the secondary resonance of the betatron vibration and the octupole electromagnet, or the fourth resonance and the octupole As long as it corresponds to the order of resonance, such as an electromagnet, it may be combined with another multipolar electromagnet.
また、本発明は、RF−KO電極を用いた遅い取り出しに限るものでない。例えば、四重極電磁石励磁電流変更によるベータトロン振動数制御を用いたビーム強度制御装置(ビーム制御装置)、及びビームエネルギ変更によるベータトロン振動数制御手法を用いたビーム強度制御装置(ビーム制御装置)であってもよい。または、ビームエネルギを変化させることができる誘導加速装置または高周波加速装置などのビーム加速装置(ビーム制御装置)であってもよい。 Further, the present invention is not limited to the slow extraction using the RF-KO electrode. For example, a beam intensity control device (beam control device) using betatron frequency control by changing a quadrupole electromagnet excitation current, and a beam intensity control device (beam control device using a betatron frequency control method by changing beam energy) ). Alternatively, it may be a beam accelerator (beam controller) such as an induction accelerator or a high-frequency accelerator capable of changing beam energy.
また、四重極電磁石励磁電流変更によるベータトロン振動数制御手法を用いたビーム強度制御装置(ビーム制御装置)において、四重極電磁石の電源を制御することで、励磁電流を変化させてもよい。四重極電磁石は、一般にシンクロトロン中に複数設けられているが、少なくともその一つを制御することでも効果を得ることができる。 Further, in the beam intensity control device (beam control device) using the betatron frequency control method by changing the quadrupole electromagnet excitation current, the excitation current may be changed by controlling the power supply of the quadrupole electromagnet. . A plurality of quadrupole electromagnets are generally provided in the synchrotron, but the effect can also be obtained by controlling at least one of them.
1 ビーム制御装置
2 シンクロトロン
4 収束用四極電磁石(収束用電磁石、機器)
5 発散用四極電磁石(発散用電磁石、機器)
6 セパラトリクス生成用六極電磁石(多極電磁石、機器)
R 粒子線照射装置
s セパラトリクス
S セパラトリクス面積
1
5 Divergent quadrupole magnets (divergent electromagnets, equipment)
6 Hexapolar electromagnets for generating separatrix (multipolar electromagnets, equipment)
R Particle beam irradiation equipment s Separatrix S Separatrix area
Claims (6)
前記シンクロトロン内の粒子線ビームのセパラトリクス生成のための共鳴の次数に対応した多極電磁石と、
前記シンクロトロン内の前記粒子線ビームを収束させる収束用四極電磁石と前記粒子線ビームを発散させる発散用四極電磁石と、
ビーム制御手段とを備え、
前記ビーム制御手段は、
所望の線量になるように前記多極電磁石の磁場強度を設定し、
前記粒子線のビームの線量の揺らぎが所定量内でない場合、
前記多極電磁石の磁場強度を高くするとともに、前記収束用四極電磁石または前記発散用四極電磁石のうちの少なくとも何れかの励磁量を変更して前記粒子線ビームのセパラトリクス面積が所定の大きさになるように調整する制御を行い、前記粒子線ビームの線量の揺らぎを所定量内として、前記粒子線ビームのビームスピルリップルを所定量以下に抑える
こと特徴とするビーム制御装置。 A beam control apparatus comprising a synchrotron and for extracting a particle beam using resonance of betatron oscillation from the synchrotron,
A multipole electromagnet corresponding to the order of resonance for generating a separatrix of a particle beam in the synchrotron;
A converging quadrupole magnet for converging the particle beam in the synchrotron, and a diverging quadrupole magnet for diverging the particle beam;
Beam control means,
The beam control means includes
Set the magnetic field strength of the multipole electromagnet to achieve a desired dose,
If the fluctuation of the beam dose of the particle beam is not within a predetermined amount,
While increasing the magnetic field strength of the multipolar electromagnet, the amount of excitation of at least one of the converging quadrupole electromagnet or the diverging quadrupole electromagnet is changed so that the separatrix area of the particle beam becomes a predetermined size. The beam control apparatus according to claim 1, wherein the control is performed so that the fluctuation of the dose of the particle beam is within a predetermined amount, and the beam spill ripple of the particle beam is suppressed to a predetermined amount or less .
こと特徴とする請求項1記載のビーム制御装置。 The beam control means changes the separatrix area by changing the excitation amount of at least one of the converging quadrupole electromagnet and the diverging quadrupole electromagnet to separate the linear betatron frequency from the resonance condition. The beam control device according to claim 1, wherein the beam control device is maintained in a desired size.
前記ビーム制御手段は、
所望の線量になるように前記多極電磁石の磁場強度を設定し、
前記粒子線のビームの線量の揺らぎが所定量内でない場合、
前記シンクロトロン内の粒子線ビームのセパラトリクス生成のための共鳴の次数に対応した多極電磁石の磁場強度を、収束用四極電磁石または発散用四極電磁石のうちの少なくとも何れかの励磁量を変更して前記粒子線ビームのセパラトリクス面積を所望の大きさに保ちながら、高く制御することによって、前記粒子線ビームの線量の揺らぎを所定量内として、前記粒子線ビームのビームスピルリップルを所定量以下に低減する
こと特徴とするビーム制御装置の制御方法。 Beam control for taking out a particle beam using resonance of betatron oscillation from the synchrotron, comprising a synchrotron and beam control means for controlling a device for controlling the particle beam in the synchrotron An apparatus control method comprising:
The beam control means includes
Set the magnetic field strength of the multipole electromagnet to achieve a desired dose,
If the fluctuation of the beam dose of the particle beam is not within a predetermined amount,
The magnetic field strength of the multipole magnet corresponding to the order of resonance for generating the separation beam of the particle beam in the synchrotron is changed by changing the excitation amount of at least one of the focusing quadrupole magnet or the diverging quadrupole magnet. The particle beam beam spill ripple is reduced to a predetermined amount or less by keeping the particle beam beam separatrix area at a desired size and controlling it to a high level so that the dose fluctuation of the particle beam is within a predetermined amount. A control method for a beam control device.
こと特徴とする請求項4記載のビーム制御装置の制御方法。 The beam control means changes the separatrix area by changing the excitation amount of at least one of the converging quadrupole electromagnet and the diverging quadrupole electromagnet to separate the linear betatron frequency from the resonance condition. The beam control apparatus control method according to claim 4, wherein the beam control apparatus maintains a desired size.
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